張照煌，柴超群，劉 釗，趙 宏

華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院 北京 102206

巖 石質(zhì)隧道施工用全斷面巖石掘進(jìn)機(jī) (Full Face Rock Tunnel Boring Machine，TBM) 刀盤(pán)位于其最前端，是破巖盤(pán)形滾刀和刮碴鏟斗的安裝載體，也是盤(pán)形滾刀和刮碴鏟斗高效作業(yè)的基礎(chǔ)。TBM 刀盤(pán)通常是指安裝了盤(pán)形滾刀和刮碴鏟斗的部件，因此，TBM 刀盤(pán)具有破碎巖石、鏟運(yùn)巖碴和穩(wěn)定掘進(jìn)面等功能，如文獻(xiàn) [1] 對(duì) TBM 刀盤(pán)的研究和設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行了綜述，介紹了刀具選型、刀間距、刀盤(pán)形狀、刀盤(pán)廓面、刀具在刀盤(pán)上的布置和刮碴鏟斗等內(nèi)容。實(shí)際上，關(guān)于 TBM 刀盤(pán)，學(xué)者就上述內(nèi)容分別進(jìn)行了較深入研究，并取得了較豐富成果[2]。

TBM 在掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中，其刀盤(pán)須承受巨大的擠壓力、轉(zhuǎn)矩和沖擊載荷的作用，工作狀況十分惡劣[3]。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì) TBM 刀盤(pán)的受力特點(diǎn)及其狀況非常重視，并進(jìn)行了相應(yīng)研究。文獻(xiàn) [4] 提出了進(jìn)行 TBM 刀盤(pán)推力和轉(zhuǎn)矩計(jì)算的滾刀受力預(yù)測(cè)模型；文獻(xiàn) [5] 通過(guò)盤(pán)形滾刀的線性切割試驗(yàn)，研究了不同貫入度、刀間距及節(jié)理間距等因素對(duì)盤(pán)形滾刀受力和破巖效率的影響；文獻(xiàn) [6] 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，利用 NSVR預(yù)測(cè)模型研究了 TBM 刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩和圍巖類別、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度的關(guān)系；文獻(xiàn) [7] 建立了盤(pán)形滾刀在刀盤(pán)上平衡布置的理論、求解方案及解；文獻(xiàn) [8] 利用ABAQUS 建立數(shù)值仿真模型，對(duì)刀盤(pán)溜碴板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。上述研究有效推進(jìn)了 TBM 刀盤(pán)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，但對(duì) TBM 刀盤(pán)體自身的研究及其結(jié)構(gòu)變化發(fā)展的研究在公開(kāi)資料很少看到。基于此，筆者以TBM 的發(fā)展歷程為出發(fā)點(diǎn)，對(duì) TBM 刀盤(pán)體結(jié)構(gòu)的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行了梳理，發(fā)現(xiàn)了 TBM 刀盤(pán)體研究的薄弱環(huán)節(jié)，從而為 TBM 刀盤(pán)結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)理論的完善提供了有益借鑒。

1 刀盤(pán)體結(jié)構(gòu)演化

目前，TBM 刀盤(pán)的基本結(jié)構(gòu)及作業(yè)狀況如圖 1所示[9]。將 TBM 刀盤(pán)上的破巖刀具、刮碴鏟斗和大軸承等部件拆除后的部件如圖 2 所示[10]。為研究?jī)?nèi)容清晰和敘述的方便，將圖 2 所示部件稱為 TBM 刀盤(pán)體。結(jié)合圖 1 可知，TBM 刀盤(pán)體由相距分別為 t1和t2，厚度分別為δ1的前板、厚度為δ2的后板、厚度為δ3的聯(lián)接板及盤(pán)形滾刀安裝座和肋板焊接而成的，由支撐直徑為 D2的大軸承支撐的盤(pán)狀體或盤(pán)狀箱型體。這種形式的確立，經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)，是通過(guò)實(shí)踐一步步不斷發(fā)展完善的結(jié)果。

圖1 全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及盤(pán)形滾刀破巖示意Fig.1 Structure of cutterhead system of TBM and sketch of rock breaking with disc hob

圖2 TBM 刀盤(pán)體Fig.2 TBM cutterhead body

我國(guó) TBM 領(lǐng)域前輩王家騄[11]通過(guò)研究并總結(jié)發(fā)現(xiàn)，“特別值得一提的是國(guó)外那些有遠(yuǎn)識(shí)、勇于冒‘破產(chǎn)’之險(xiǎn)的承包商們，他們不僅投下巨資購(gòu)買(mǎi)機(jī)器，而且在機(jī)器遇到極大‘災(zāi)難’時(shí)，想方設(shè)法，解脫危難。國(guó)外掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展，與其說(shuō)是來(lái)自于科學(xué)家的智慧，毋寧說(shuō)是承包商們的功勛”。這說(shuō)明，TBM是在實(shí)踐過(guò)程中，通過(guò)克服各種“災(zāi)難”逐漸發(fā)展完善起來(lái)的，并將繼續(xù)通過(guò)實(shí)踐過(guò)程進(jìn)一步發(fā)展和完善。作為 TBM 關(guān)鍵部件的刀盤(pán)體也經(jīng)歷了單板結(jié)構(gòu)、雙板結(jié)構(gòu)和三板結(jié)構(gòu)的發(fā)展階段。

1.1 單板刀盤(pán)體

受實(shí)踐發(fā)展和當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)條件及人們認(rèn)識(shí)水平的限制，初期的 TBM 刀盤(pán)體基本以單板結(jié)構(gòu)為主，即刀盤(pán)體可以認(rèn)為是由一塊均勻的鋼板組成，破巖刀具通過(guò)刀座安裝其上。1952 年，美國(guó) Robbins (羅賓斯) 公司為南達(dá)科他州奧瓦希壩施工項(xiàng)目研制的世界上第 1 臺(tái)全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)，其刀盤(pán)體如圖 3 所示。通過(guò)近 5 a 的實(shí)踐，即在 1956 年，Robbins 公司研制出了破碎巖石的盤(pán)形滾刀并應(yīng)用于該工程項(xiàng)目，從此開(kāi)啟了巖石質(zhì)隧道施工的“工廠化”時(shí)代。

圖3 早期 TBM 刀盤(pán)體及刀盤(pán)結(jié)構(gòu)Fig.3 Early TBM cutterhead body and structure of cutterhead

TBM 單板刀盤(pán)體通常采用螺栓直接固定在大軸承內(nèi)圈 (一般帶驅(qū)動(dòng)大齒圈) 上，如圖 4 所示。刀盤(pán)大軸承稱為刀盤(pán)支撐，其內(nèi)圈通常設(shè)置大齒圈，是TBM 傳動(dòng)鏈上的主要構(gòu)件之一。

圖4 單板刀盤(pán)體支承結(jié)構(gòu)Fig.4 Support structure of single-plate cutterhead body

這個(gè)時(shí)期 (至20 世紀(jì) 70 年代初)，TBM 施工巖石的抗壓強(qiáng)度一般為 30～ 100 MPa，屬軟巖或中等硬度偏下的巖類；刀盤(pán)體外形輪廓[11]有平面 (美國(guó)的Robbins、Jarva 公司)、錐面 (德國(guó)的 Demag、Wirth 公司) 和球面 (Robbins 公司)；刀盤(pán)支撐相對(duì)簡(jiǎn)單，一般采用交叉滾子軸承 (Robbins 公司)、雙圓錐滾子軸承(Robbins、Jarva 公司) 和徑向滾子調(diào)心軸承+平面止推滾子軸承 (Demag 公司) 等結(jié)構(gòu)形式；單板刀盤(pán)體盤(pán)形滾刀安裝座采用“凸置式”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即盤(pán)形滾刀安裝座直接焊接 (或螺栓聯(lián)接) 在刀盤(pán)前表面上；刀盤(pán)上開(kāi)設(shè)人孔，供技術(shù)人員進(jìn)入刀盤(pán)前面 (掘進(jìn)面)，一方面對(duì)盤(pán)形滾刀進(jìn)行檢查與更換，另一方面對(duì)掘進(jìn)面及其前方巖體進(jìn)行處理或預(yù)處理等操作。

1.2 雙板刀盤(pán)體

20 世紀(jì) 60 至80 年代，西方發(fā)達(dá)國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)相繼進(jìn)入高潮，交通隧道、引輸水隧洞等巖石質(zhì)地層廣泛采用 TBM 施工，曾一度出現(xiàn)專門(mén)研制 TBM 的公司，如美國(guó)的 Robbins、Jarva 和德國(guó)的 Demag、Wirth四強(qiáng)并列的局面。這段時(shí)期[12]，TBM 施工巖石抗壓強(qiáng)度范圍更廣，如伊瓦爾工程，局部施工段巖石抗壓強(qiáng)度高達(dá) 350 MPa，而智利的 Rio Blanco 工程，局部施工段巖石抗壓強(qiáng)度甚至高達(dá) 410 MPa。為提高 TBM 的作業(yè)能力和地質(zhì)地層適應(yīng)性，其刀盤(pán)體也由單板結(jié)構(gòu)逐漸過(guò)渡到雙板結(jié)構(gòu)的箱型體，如圖 5 所示。

圖5 TBM 雙板刀盤(pán)體結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of TBM double-plate cutterhead body

在這一時(shí)期，工程施工中發(fā)現(xiàn)盤(pán)形滾刀座經(jīng)常被剝落的巖碴砸壞且易磨損，因此，在該時(shí)期的后期，發(fā)展出了“凹置式”(背裝式) 盤(pán)形滾刀座，即將盤(pán)形滾刀座設(shè)置在 TBM 刀盤(pán)體的內(nèi)部，采用拉拔固定方式，如圖 6 所示。同時(shí)，也發(fā)展出了從刀盤(pán)后面進(jìn)行刀具更換作業(yè)的技術(shù)，即“背后換刀”技術(shù)，既減輕了換刀作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，也提高了更換刀具作業(yè)人員的安全性。這時(shí)的刀盤(pán)支承已采用能承受大推力的滾柱軸承，典型結(jié)構(gòu)如圖 7 所示。

圖6 盤(pán)形滾刀拉拔固定方式Fig.6 Pulling and fixing mode of disc hob

圖7 雙板結(jié)構(gòu)刀盤(pán)體支承結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Support structure of double-plate cutterhead body

1.3 三板刀盤(pán)體

進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代，TBM 的發(fā)展重心逐漸由國(guó)外轉(zhuǎn)移到國(guó)內(nèi)。我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，如引輸水工程隧洞、鐵路公路隧道、城市地鐵隧道 (巖石質(zhì)地層) 等地下工程的建設(shè)為 TBM 在我國(guó)的發(fā)展提供了充足動(dòng)力。為提高破巖盤(pán)形滾刀檢測(cè)和更換效率，從而提高 TBM 掘進(jìn)作業(yè)率 (利用率)，產(chǎn)生并發(fā)展了TBM 三板刀盤(pán)體，如圖 1 所示，這是目前 TBM 上普遍采用的刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式。為提高換刀作業(yè)效率，還廣泛采用盤(pán)形滾刀聯(lián)結(jié)的拉拔結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步縮短了盤(pán)形滾刀更換作業(yè)時(shí)間。

2 TBM 刀盤(pán)體理論研究發(fā)展與現(xiàn)狀

相較 TBM 刀盤(pán)體結(jié)構(gòu)的發(fā)展，TBM 刀盤(pán)體的理論研究相對(duì)滯后。目前，只有彈性力學(xué)中的彈性薄板彎曲理論可對(duì) TBM 單板刀盤(pán)體進(jìn)行力學(xué)變形的分析。

例如，考慮 TBM 刀盤(pán)上盤(pán)形滾刀基本均勻分布，因此破巖盤(pán)形滾刀產(chǎn)生的作用在刀盤(pán)上的力也可認(rèn)為是基本均勻分布，設(shè)其載荷集度為 q，根據(jù)彈性力學(xué)理論，其中面 (與刀盤(pán)前后面等距離的面) 的彈性變形微分方程為

式中：D 為抗彎剛度，由刀盤(pán)結(jié)構(gòu)和材質(zhì)決定的常數(shù)，N·m；r 為考察點(diǎn)距離刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)中心的距離，m；w 為刀盤(pán)上考察點(diǎn)的撓度，以掘進(jìn)反方向?yàn)檎?，m；E 為刀盤(pán)材料的楊氏模量，Pa；t 為刀盤(pán)體厚度，m；μ為刀盤(pán)材料的泊松比。

以刀盤(pán)體與其大軸承的聯(lián)接關(guān)系為邊界條件，可求得式 (1) 的解，從而就可確定 TBM 作業(yè)過(guò)程中刀盤(pán)體的變形，或據(jù)此研究刀盤(pán)體的最優(yōu)支撐條件。

但對(duì)雙板和三板結(jié)構(gòu)的 TBM 刀盤(pán)體，就不能直接應(yīng)用式 (1) 分析其作業(yè)過(guò)程中刀盤(pán)體的變形或據(jù)此研究刀盤(pán)體的最優(yōu)支撐條件，因?yàn)槠渲械目箯潉偠?D涉及到的 E、t、μ相互影響且存在某種確定的關(guān)系。亦即，應(yīng)用式 (1) 分析 TBM 作業(yè)過(guò)程中刀盤(pán)體的變形或據(jù)此研究其刀盤(pán)體的最優(yōu)支撐條件時(shí)，首先應(yīng)研究物理量 E、t、μ與 TBM 刀盤(pán)體及其結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，亦即，求得 E、t、μ的當(dāng)量值。因此，對(duì)雙板和三板結(jié)構(gòu)的 TBM 刀盤(pán)體的研究多借助軟件模擬實(shí)現(xiàn)。

3 TBM 刀盤(pán)體模擬研究

由于 TBM 刀盤(pán)為大型結(jié)構(gòu)件，且造價(jià)昂貴，對(duì)其進(jìn)行等比例的實(shí)物試驗(yàn)不僅費(fèi)用高且難以實(shí)現(xiàn)，因此學(xué)者們對(duì)其研究主要以計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬為主。目前，一般采用 SolidWorks、Pro/E、UG 等三維建模軟件構(gòu)建刀盤(pán)模型，然后導(dǎo)入 PFC3D、ADAMS、LY-DYNA、ANSYS 或 ABAQUS 等數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析，以得到對(duì)工程應(yīng)用有借鑒價(jià)值的研究結(jié)果。

3.1 單板刀盤(pán)體

單板刀盤(pán)體的數(shù)值模擬一般應(yīng)用 Drucker-Prager 構(gòu)建刀盤(pán)-巖石相互作用三維模型，如圖 8 所示。研究發(fā)現(xiàn)，單板刀盤(pán)的中心區(qū)域變形最大，邊緣區(qū)域次之，且在刀盤(pán)的最佳支撐半徑，即刀盤(pán)支撐半徑為刀盤(pán)半徑的 0.55～ 0.65 倍時(shí)[13]，刀盤(pán)的變形較為均勻[14]，并且通過(guò) ABAQUS 模擬驗(yàn)證了大軸承的支撐形式介于簡(jiǎn)支和夾支之間[15]。

圖8 單板刀盤(pán)體三維模型Fig.8 3D model of single-plate cutterhead body

通過(guò)單板刀盤(pán)體的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，作用在刀盤(pán)面板上的推力和轉(zhuǎn)矩是影響其作業(yè)性能的關(guān)鍵參數(shù)[8,16-18]，而圍巖類別[19]、滾刀貫入度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、刀盤(pán)推進(jìn)速度、刀盤(pán)直徑、刀盤(pán)厚度等參數(shù)則與刀盤(pán)推力和轉(zhuǎn)矩緊密相關(guān)。文獻(xiàn) [20] 通過(guò) ABAQUS 軟件建立非線性動(dòng)力學(xué)三維數(shù)值仿真模型，并采用正交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，刀盤(pán)直徑對(duì)刀盤(pán)總推力的影響最大，盤(pán)形滾刀貫入度和巖石單軸抗壓強(qiáng)度次之，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)刀盤(pán)總載荷影響最小。此外，也可以通過(guò)材料選擇或 (和) 成型工藝的創(chuàng)新[21]提高刀盤(pán)體的作業(yè)性能。

3.2 雙板刀盤(pán)體

由于 TBM 雙板刀盤(pán)體屬箱型結(jié)構(gòu)件，其抗彎剛度 D 中的 E 和μ均與 2 塊鋼板的厚度及其間距有關(guān)，建模相對(duì)復(fù)雜，因此，從公開(kāi)資料中尚未看到對(duì)TBM 雙板刀盤(pán)體變形理論及相應(yīng)分析方法的研究。

3.3 三板刀盤(pán)體

目前，從公開(kāi)資料中幾乎查閱不到研究 TBM 刀盤(pán)三板結(jié)構(gòu)理論的相關(guān)文獻(xiàn)，很多學(xué)者在對(duì)三板刀盤(pán)數(shù)值模擬時(shí)一般是將三板模型簡(jiǎn)化為雙板模型。對(duì)三板刀盤(pán)體結(jié)構(gòu)研究的文獻(xiàn)中，文獻(xiàn) [22] 具有一定代表性和典型性，該文獻(xiàn)以青?！耙鬂?jì)湟”輸水隧道為例，采用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)直徑為 5.930 m 的刀盤(pán)主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，如圖 9 所示。刀盤(pán)結(jié)構(gòu)參數(shù)初始值及其優(yōu)化值如表 1 所列。在優(yōu)化過(guò)程中，該文獻(xiàn)忽略了刀盤(pán)前后板間距 t1、t2等參數(shù)對(duì)刀盤(pán)變形的影響。

圖9 三板刀盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)Fig.9 Design parameters of three-plate cutterhead

表1 三板刀盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)及優(yōu)化Tab.1 Design parameters of three-plate cutterhead and optimization

由于刀盤(pán)多采用大直徑設(shè)計(jì)，為了方便運(yùn)輸，常將刀盤(pán)分為中心對(duì)分式、偏心對(duì)分式、中方五分式及中六角七分式的分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而中方五分式在三板刀盤(pán)中最為常見(jiàn)。文獻(xiàn) [23] 通過(guò)對(duì)中方五分式刀盤(pán)建模分析，發(fā)現(xiàn)前后面板間距和支撐肋板厚度對(duì)分體刀盤(pán)的變形和穩(wěn)定性有較大影響。文獻(xiàn) [21]、[24] 和[25] 分析了刀盤(pán)的靜態(tài)特性，發(fā)現(xiàn)法蘭與支撐肋的焊接部位容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖 10 所示?，F(xiàn)階段對(duì) TBM 三板刀盤(pán)的研究多為聯(lián)接板與刀盤(pán)后板間支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，如支撐肋的厚度、數(shù)量以及安裝位置等。文獻(xiàn) [26] 和 [27] 對(duì)刀盤(pán)支撐肋進(jìn)行了優(yōu)化，其中文獻(xiàn) [26] 設(shè)計(jì)了一種 L 形支撐肋結(jié)構(gòu) (見(jiàn)圖 11)，文獻(xiàn)[27] 還對(duì)溜碴板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn) (見(jiàn)圖 12)。

圖10 A、B 2 種刀盤(pán)應(yīng)力分布Fig.10 Stress distribution of cutterhead A and B

圖11 L 形支撐肋Fig.11 L-shaped supporting rib

圖12 改進(jìn)的溜碴板Fig.12 Improved ballast board

4 結(jié)語(yǔ)

全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)體經(jīng)歷了單板、雙板和三板結(jié)構(gòu)的演化和發(fā)展。單板刀盤(pán)體演化到雙板刀盤(pán)體，有利于刀盤(pán)體強(qiáng)度和剛度的提高，但兩板間加強(qiáng)肋、盤(pán)形滾刀座的設(shè)置等決定著演化結(jié)構(gòu)的效果，如兩板變形的協(xié)調(diào)性及刀盤(pán)體變形的均勻性等；雙板刀盤(pán)體演化為三板刀盤(pán)體，使背后換刀更加方便和安全，但三板結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增加了雙板結(jié)構(gòu)的不確定性，如變形的協(xié)調(diào)性和不均勻性等，概而言之，全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)體設(shè)計(jì)理論的發(fā)展嚴(yán)重滯后其結(jié)構(gòu)的發(fā)展，對(duì) TBM 刀盤(pán)體結(jié)構(gòu)的地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)和發(fā)展提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。